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2018-01-11 大質量恆星沒想像中的那麼少

 
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The star-forming region, 30 Doradus, is one of the largest located close to the Milky Way and is found in the neighboring galaxy, Large Magellanic Cloud. Credit: NASA  牛津大學Fabian Schneider等天文學家利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)對大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud,LMC)裡的恆星形成區劍魚座30(30 Doradus)進行大質量恆星的數量調查,結果發現其中的大質量恆星的數量比原本認為的還多很多,讓這些天文學家相當吃驚。這項發現或許有助於天文學家瞭解恆星如何將宇宙從初始狀態逐步轉變成我們如今所在的模樣。

  大麥哲倫星系是我們銀河系最大的衛星星系,距離只有約16萬光年遠,而大麥哲倫星系裡的劍魚座30是個非常龐大的恆星苗圃,俗稱蜘蛛星雲(Tarantula nebula),星雲中心區域內至少有2400顆大質量恆星。Schneider等人觀測蜘蛛星雲裡其中近1000顆的大質量恆星,詳細分析其中約250顆質量介在15-200倍太陽質量的大質量恆星,檢視它們在蜘蛛星雲裡的分布狀況,即所謂的初始質量分布函數(initial mass function,IMF)。而大質量恆星對周圍環境影響鉅大,所以對天文學家特別重要。因為大質量恆星演化到最後階段,會發生超新星爆炸,最後殘留的部分則形成中子星和黑洞這些宇宙中最奇特的天體之一。

  對於分析結果,團隊成員Hugues Sana表示:他們不僅驚訝大質量恆星的數量之龐大,更驚訝於它們的IMF居然可密集採樣到200倍太陽質量這麼高。直到近期,天文學家還對恆星質量是否能高達200倍太陽質量倍感質疑,但Schneider等人的研究卻顯示新生恆星誕生質量很可能可上看200-300倍太陽質量之多。

  絕大部分天文學家曾研究過的宇宙角落裡,質量愈大的恆星,通常數量愈稀少。IMF預測絕大部分的恆星質量屬於低質量恆星,只有不到1%是高於10倍太陽質量以上的大質量恆星。測量大質量恆星所佔的比例這項工作並不容易,主要是因為它們的數量十分稀少,鄰近宇宙中只有少數地方可以進行這項統計工作,蜘蛛星雲就是其中之最。

  蜘蛛星雲是鄰近宇宙中最大的恆星形成區,不僅距離不遠,且擁有許多大質量恆星,事實上它擁有好幾顆迄今已知質量最大的恆星,所以可以透過特定觀測、理論和統計等方式來測定大質量恆星的質量。這樣數量龐大的取樣,可以讓天文學家們獲致迄今最精確的IMF高質量恆星的部分,並據此顯示出大質量恆星比先前認為的數量還要豐富得多,換言之,以前認為恆星總質量絕大部分集中再低質量恆星,但現在顯然有很明顯的一部份是由高質量恆星貢獻的。

  氫和氦是大霹靂之後最主要的初始元素,兩者合稱「輕元素」。而恆星是宇宙的產能機,藉由核心的和融合反應,製造比氦還重的「重元素(或稱金屬元素,但並非單指金屬)」,我們呼吸的氧,血液中的鐵,都是來自恆星核心的製造廠。但核融合反應製造的元素頂多只能到鐵,許多比鐵更重的其他重元素是透過大質量恆星演化到末期發生的超新星爆炸而產生。超新星爆炸還透過強烈的恆星風釋放出大量離子輻射和動能;大質量恆星的離子輻射宇宙結束黑暗時期(Dark Ages)的關鍵,而其回饋就是促使星系演化。為了能大量地解析所有的這些回饋機制,然後能瞭解大質量恆星在宇宙中扮演的角色有多重要,那麼我們必須要知道這些恆星巨獸們的數量究竟有多少。

  Schneider等人的研究結果顯示超新星數量可能比原本認知的還多70%,如此一來,大質量恆星所產生的化學元素就是原來的3倍,離子輻射更多達4倍。而且,黑洞形成速率可能比原來的多180%,那麼黑洞雙星合併而產生重力波訊號的事件數量也應該會增加許多。不過隨著新發現而來的是更多的疑問,例如:大質量恆星數量繁多的現象是不是遍及宇宙?這對我們宇宙的演化、超新星的發生和重力波事件等有什麼深遠的影響?這些都是他們未來奮鬥的目標。

資料來源:https://www.sciencedaily.com/releases/2018/01/180104153159.htm, 2018.01.04, KLC

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